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        鐵路高墩大跨T構矮塔斜拉橋設計研究

        2019-01-04 09:24:54
        鐵道建筑 2018年12期
        關鍵詞:索塔高墩斜拉橋

        陳 平

        (中鐵第四勘察設計院集團有限公司,湖北 武漢 430063)

        高墩大跨T構矮塔斜拉橋是一種介于PC連續(xù)剛構和PC斜拉橋之間的一種組合體系橋型,具有塔矮、梁剛、索集中的結構特點。其受力特征是以主梁受彎、受剪來承擔大部分荷載,斜拉索對主梁起加勁作用并承擔一部分荷載,相當于一般PC梁橋的體外預應力索。近年來,隨著我國山區(qū)鐵路建設,修建了大量的高墩大跨剛構橋及矮塔斜拉橋,但高墩大跨T構矮塔斜拉橋設計研究相對較少。本文以甕安河大橋為例,介紹鐵路高墩大跨T構矮塔斜拉橋的設計研究,為今后復雜山區(qū)同類鐵路橋梁設計提供借鑒[1-4]。

        1 工程概況

        甕安河大橋位于貴州省甕安縣境內,橋梁跨越兩山之間深切V形深谷,山勢極為陡峭,兩岸地勢起伏較大,相對高差約25 m。兩岸植被多為樹林、灌木及雜草。甕安臺基巖出露不良,多為塊石、滾石,只有局部地區(qū)有基巖裸露。兩岸無公路,無便道,交通不便。橋區(qū)內表層為第四系全新統(tǒng)殘坡積(Q4el+dl)粉質黏土層,主要分布在丘坡上;下伏地層為下第三系(E)鈣質角礫巖及二疊系上統(tǒng)長興組(P2c)灰?guī)r。

        甕安河大橋設計流量為2 815.65 m3/s,設計水位為823.67 m,設計流速為8.83 m/s。線路法線與水流方向垂直。橋址區(qū)地震動峰值加速度為0.05g,地震動反應譜特征周期分區(qū)為0.35 s。

        考慮小里程側橫向地形陡峭,無設置拱橋拱腳等的地形地貌情況,考慮結構的力學性能、景觀效果、施工難度、工程經(jīng)濟性等方面設計控制要素的影響,該橋橋型采用T構矮塔斜拉橋??卓绮贾脼?(155+155)m,中支點梁底以下塔高130 m,設計施工難度較大,為同類橋梁之最。全橋立面布置如圖1所示。

        圖1 全橋立面布置(單位:cm)

        2 主要技術標準

        主要技術標準為:①線路等級,國鐵Ⅰ級;②正線數(shù)目,單線,有砟軌道;③設計速度,120 km/h;④設計活載,ZKH活載。

        3 主橋結構設計

        本橋采用塔墩梁固結體系,主梁采用C55混凝土,索塔及橋墩采用C50混凝土,承臺及樁基礎采用C30混凝土[5]。

        3.1 主梁構造

        主梁采用變截面預應力混凝土箱梁,梁寬9.0 m,梁高由中支點14.0 m變化至跨中的5.0 m,梁底曲線為拋物線。頂板厚42 cm,主塔處加厚至150 cm,腹板厚45~90 cm,底板厚35~150 cm。斜拉索與主梁之間錨固采用箱外混凝土齒塊錨固,錨固處對應設置箱內橫梁。主梁跨中橫斷面如圖2所示。

        圖2 主梁跨中橫斷面(單位:cm)

        3.2 塔墩構造

        塔墩總高184 m,橋面以上塔高40 m,橋面以下塔高130 m。主塔與主梁固結,固結處高度為14 m。上塔柱為H形橋塔,總高40 m,采用矩形實心截面,縱向尺寸為4.0 m,橫向尺寸為2 m,下部采用順橋向分叉結構與主梁銜接。橋面以下墩柱截面采用矩形空心截面,縱橫向均設置坡度,橫向呈A形,縱向尺寸由墩頂10 m變化至墩底的16 m,橋墩墩頂橫向尺寸為10 m,墩底為雙肢矩形截面,兩肢中心距離為18 m。塔墩布置如圖3所示[6-8]。

        圖3 塔墩布置(單位:cm)

        3.3 斜拉索構造

        斜拉索采用55-15.2 mm的高強度低松馳鋼絞線,斜拉索在上塔柱上采用V形分絲管索鞍[7]。斜拉索關于索塔對稱布置,全橋共20對斜拉索,最內側索距離塔中心46 m,索在梁上的縱向間距為8,10 m,在塔上的豎向間距為1 m,最外側索的水平夾角為18°。

        3.4 基礎

        根據(jù)地形及地質情況,主墩基礎按照柱樁設計,采用24-φ2.8 m鉆孔灌注樁,樁長12 m,承臺尺寸為23.0 m×35.0 m×5.0 m。

        3.5 施工方法

        本橋橋塔采用液壓爬模法施工,主梁采用對稱懸臂掛籃澆筑,同時張拉斜拉索的施工方法。主要施工步驟如下:①首先采用爬模法分段進行主塔塔身施工;②利用托架施工塔梁固結0號塊,在0號塊上拼裝掛籃,對稱懸澆塔柱兩側的1號梁段;③對稱懸澆兩側主梁梁段直至合龍段,支架現(xiàn)澆邊直段,合龍成橋;④最后施工橋面工程和附屬結構,通車運營。

        4 結構計算結果

        采用MIDAS/Civil建立整體有限元模型,主梁索塔采用梁單元,斜拉索采用桁架單元模擬,全橋共有290個單元,296個節(jié)點。

        4.1 主梁檢算結果

        采用影響線加載,在靜列車活載作用下跨中最大下?lián)现?5.2 mm,撓跨比1/1 819,其豎向剛度滿足行車要求。在豎向靜活載作用下,梁端最大轉角2.7‰,滿足橋臺與橋梁之間梁端轉角小于3.0‰的要求。在列車橫向搖擺力、橫向風力和溫度作用下,主梁最大水平撓度48.9 mm,撓跨比1/3 169,橫向剛度值滿足該橋的行車要求。

        4.2 斜拉索檢算結果

        斜拉索采用鍍鋅鋼絞線,破斷安全系數(shù)按照2.5控制,疲勞應力幅按照100 MPa控制。主+附工況下,斜拉索最大應力值668.4 MPa,安全系數(shù)為2.8,疲勞荷載作用下斜拉索最大疲勞應力幅為38.3 MPa,均滿足規(guī)范要求。

        4.3 索塔檢算結果

        各工況下索塔截面處于全截面受壓狀態(tài);主+附工況下,最大壓應力值-22.3 MPa,滿足規(guī)范要求。

        4.4 穩(wěn)定性分析

        對裸墩、最大懸臂、成橋運營3個關鍵施工階段的最不利工況進行穩(wěn)定性分析,3個階段荷載工況分別為:①裸塔階段,自重、風荷載。②最大懸臂階段,自重+節(jié)段澆筑差+施工不平衡堆載+單側掛籃跌落+風荷載。③成橋階段,自重+二期恒載+列車活載單側布置+風荷載。

        裸塔階段結構一階失穩(wěn)模態(tài)為橫向失穩(wěn),穩(wěn)定系數(shù)為21.9,穩(wěn)定系數(shù)值較大,其穩(wěn)定性滿足要求。

        最大懸臂階段結構一階失穩(wěn)模態(tài)為橫向失穩(wěn),穩(wěn)定系數(shù)為8.9,滿足規(guī)范彈性屈曲穩(wěn)定系數(shù)>5的要求,其穩(wěn)定性滿足要求,見圖4。

        圖4 最大懸臂階段失穩(wěn)模態(tài)

        成橋運營階段結構一階失穩(wěn)模態(tài)為橫向失穩(wěn),穩(wěn)定系數(shù)為22.9,該階段穩(wěn)定系數(shù)明顯高于最大懸臂階段,其穩(wěn)定性滿足要求。

        5 結語

        在山區(qū)鐵路中,由于其特殊的地形、地貌及地質特

        點,考慮景觀性、施工難度及經(jīng)濟性,高墩大跨T構矮塔斜拉橋不失為一種合理的橋型。高墩大跨T構斜拉橋的索塔縱橫向剛度及穩(wěn)定性是該橋設計的關鍵,本橋塔墩橫向采用了人字形造型,并設置了橫梁,縱向適當放坡等結構構造,索塔縱橫向剛度及靜、動力穩(wěn)定性均滿足設計要求。該類橋型結構合理,力學性能良好,且施工難度和經(jīng)濟指標相對較低,對于深谷地區(qū)具有良好的應用前景,為山區(qū)鐵路橋梁的設計提供了一種新思路。

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